Plasma fremdriftsmotor - Plasma propulsion engine

"Plasmamotor" omdirigerer her. For videospillmotoren, se Plasma (motor) .
En thruster under testskyting
Artist gjengivelse av VASIMR plasma motoren

En plasmadriftsmotor er en type elektrisk fremdrift som genererer kraft fra et kvasi-nøytralt plasma . Dette er i motsetning til motorer med ionepropeller , som genererer skyvekraft ved å trekke ut en ionestrøm fra plasmakilden , som deretter akselereres til høye hastigheter ved hjelp av nett / anoder . Disse finnes i mange former (se elektrisk fremdrift ). I den vitenskapelige litteraturen omfatter imidlertid begrepet " plasmastruster " noen ganger thrustere som vanligvis betegnes som " ionmotorer ".

Plasma -thrustere bruker vanligvis ikke høyspentnett eller anoder/ katoder for å akselerere de ladede partiklene i plasmaet, men bruker heller strømmer og potensialer som genereres internt for å akselerere ionene, noe som resulterer i lavere eksoshastighet gitt mangelen på høye akselerasjonsspenninger .

Denne typen thruster har en rekke fordeler. Mangelen på høyspenningsgitter for anoder fjerner et mulig begrensende element som et resultat av gridion -erosjon. Plasma-eksosen er 'kvasi-nøytral', noe som betyr at positive ioner og elektroner eksisterer i like mange, noe som gjør at enkel ion-elektron rekombinasjon i eksosen kan nøytralisere eksosrøret, og fjerner behovet for en elektronpistol (hul katode). En slik thruster genererer ofte kildeplasmaet ved hjelp av radiofrekvens eller mikrobølgeenergi , ved hjelp av en ekstern antenne . Dette faktum, kombinert med fravær av hule katoder (som er følsomme for alle unntatt edelgasser ), tillater muligheten av å anvende denne thruster på en rekke forskjellige drivmidler, fra argon til karbondioksid luft-blandinger for å astronaut urin .

Plasmamotorer er bedre egnet for interplanetære oppdrag.

Mange romfartsbyråer utviklet plasma-fremdriftssystemer, inkludert European Space Agency , Iranian Space Agency og Australian National University , som var medutviklere av en dobbeltlags-thruster .

Historie

Noen plasmamotorer har sett aktiv flytid og bruk på oppdrag. I 2011 inngikk NASA et samarbeid med Busek for å lansere den første hall- effektpropelleren ombord på Tacsat-2- satellitten. Thrusteren var satellittens viktigste fremdriftssystem. Selskapet lanserte en annen hall -effektpropell det året. I 2020 ble forskning på en plasmastråle publisert av Wuhan University .

Ad Astra Rocket Company utvikler VASIMR. Det kanadiske selskapet Nautel produserer 200 kW RF -generatorer som kreves for å ionisere drivstoffet. Noen komponenttester og "Plasma Shoot" -eksperimenter utføres i et laboratorium i Liberia, Costa Rica . Dette prosjektet ledes av den tidligere NASA-astronauten Dr. Franklin Chang-Díaz (CRC-USA).

Costa Rican Aerospace Alliance kunngjorde utviklingen av utvendig støtte for VASIMR som skal monteres utenfor den internasjonale romstasjonen . Denne fasen av planen om å teste VASIMR i verdensrommet var forventet å bli utført i 2016.

Fordeler

Plasmamotorer har en mye høyere spesifikk impuls ( I sp ) -verdi enn de fleste andre typer rakettteknologi. Den VASIMR thruster kan strupes for en impuls større enn 12000 s, og hall thrustere har oppnådd ~ 2000 s. Dette er en betydelig forbedring i forhold til bipropellant -drivstoffene til konvensjonelle kjemiske raketter, som har spesifikke impulser ~ 450 s. Med høy impuls er plasmastrustere i stand til å nå relativt høye hastigheter over lengre akselerasjonsperioder. Eks-astronauten Franklin Chang-Diaz hevder VASIMR- thrusteren kan sende en nyttelast til Mars på så lite som 39 dager, mens den når en maksimal hastighet på 34 km i sekundet (55 km/s).

Enkelte plasma-thrustere, for eksempel mini-helikon, hylles for sin enkelhet og effektivitet. Teorien deres om drift er relativt enkel og kan bruke en rekke gasser eller kombinasjoner.

Disse egenskapene antyder at plasmastrustere har verdi for mange misjonsprofiler.

Ulemper

Muligens er den viktigste utfordringen for levedyktigheten til plasmastrustere energibehovet. VX-200-motoren krever for eksempel 200 kW elektrisk kraft for å produsere 5 N skyvekraft, eller 40 kW/N. Dette effektbehovet kan oppfylles av fisjoneringsreaktorer, men reaktormassen (inkludert varmeavvisningssystemer) kan vise seg å være uoverkommelig.

En annen utfordring er plasma erosjon. Mens det er i drift, kan plasmaet termisk ablere veggene i thrusterhulen og støttestrukturen, noe som til slutt kan føre til systemfeil.

På grunn av deres ekstremt lave trykk, er plasmamotorer ikke egnet for start-til-jord-bane. I gjennomsnitt gir disse rakettene maksimalt 2 kilo skyvekraft. Plasma -thrustere er svært effektive i åpent rom, men gjør ingenting for å oppveie baneutgiftene til kjemiske raketter.

Motortyper

Helikon plasma thrustere

Hovedartikkel: Helicon dobbeltlags-thruster

Helikonplasmastrustere bruker lavfrekvente elektromagnetiske bølger (Helicon-bølger) som finnes inne i plasma når de utsettes for et statisk magnetfelt. En RF -antenne som vikler rundt et gasskammer skaper bølger og begeistrer gassen og skaper plasma. Plasmaet blir utvist med høy hastighet for å produsere skyvekraft via akselerasjonsstrategier som krever forskjellige kombinasjoner av elektriske og magnetiske felt av ideell topologi . De tilhører kategorien elektrodeløse thrustere. Disse thrustere støtter flere drivmidler, noe som gjør dem nyttige for lengre oppdrag. De kan være laget av enkle materialer, inkludert en glassflaske.

Magnetoplasmadynamiske thrustere

Hovedartikkel: Magnetoplasmadynamisk thruster

Magnetoplasmadynamiske thrustere (MPD) bruker Lorentz -kraften (en kraft som følge av samspillet mellom et magnetfelt og en elektrisk strøm ) for å generere skyvekraft. Den elektriske ladningen som strømmer gjennom plasmaet i nærvær av et magnetfelt får plasmaet til å akselerere . Den Lorentz-kraften er også avgjørende for driften av de pulserte plasma thrustere .

Pulserende induktive thrustere

Hovedartikkel: Pulserende induktiv thruster

Pulserende induktive thrustere (PIT) bruker også Lorentz -kraften til å generere skyvekraft, men de bruker ikke elektroder, og løser erosjonsproblemet. Ionisering og elektriske strømmer i plasmaet induseres av et raskt varierende magnetfelt.

Elektrodeløse plasma -thrustere

Hovedartikkel: Elektroløs plasmastruster

Elektrodefrie plasma thrustere bruke ponderomotive kraft som virker på et hvilket som helst plasma eller ladet partikkel da under påvirkning av en sterk elektromagnetisk energitettheten -gradient for å akselerere plasma elektroner og ioner i den samme retning, for derved å operere uten et nøytraliseringsmiddel.

VASIMR

VASIMR

Hovedartikkel: Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket

VASIMR, forkortelse for Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket, bruker radiobølger for å ionisere et drivmiddel til et plasma. Et magnetfelt akselererer deretter plasmaet ut av motoren og genererer skyvekraft . En VASIMR-motor på 200 megawatt kan redusere tiden for å reise fra Jorden til Jupiter eller Saturn fra seks år til fjorten måneder, og fra Jorden til Mars fra 6 måneder til 39 dager.

Se også

Referanser

  1. ^ Mazouffre, Stéphane (2016-06-01). "Elektrisk fremdrift for satellitter og romfartøyer: etablert teknologi og nye tilnærminger". Plasmakilder Vitenskap og teknologi . 25 (3): 033002. doi : 10.1088/0963-0252/25/3/033002 .
  2. ^ "Australian National University utvikler helikonplasmastruster" . Dvice. Januar 2010 . Hentet 8. juni 2012 .
  3. ^ "NS -selskap hjelper til med å bygge plasma -rakett" . cbcnews. Januar 2010 . Hentet 24. juli 2012 .
  4. ^ "Plasmamotor består første test" . BBC News . 14. desember 2005.
  5. ^ a b "Plasma jetmotorer som kan ta deg fra bakken til verdensrommet" . Ny forsker . Hentet 2017-07-29 .
  6. ^ a b "TacSat-2" . www.busek.com . Hentet 2017-07-29 .
  7. ^ "Kan denne kinesiske plasmastasjonen gjøre grønn flytur til virkelighet?" . South China Morning Post . 8. mai 2020.
  8. ^ a b "Romfart hjulpet av plasmatrusere: Fortid, nåtid og fremtid | DSIAC" . www.dsiac.org . Arkivert fra originalen 2017-08-08 . Hentet 2017-07-29 .
  9. ^ "Antimaterie til ionedrev: NASAs planer for fremdrift av dype rom" . Cosmos Magazine . Hentet 2017-07-29 .
  10. ^ a b "Rakett sikter på billigere støt i verdensrommet; Plasmastrusteren er liten, kjører på rimelige gasser" . ScienceDaily . Hentet 2017-07-29 .
  11. ^ "Teknisk informasjon | Ad Astra Rocket" . www.adastrarocket.com . Hentet 2020-06-01 .
  12. ^ "Den 123 000 km / t plasmamotoren som endelig kunne ta astronauter til Mars" . Populærvitenskap . Hentet 2017-07-29 .
  13. ^ "Reiser til Mars med udødelige plasmaraketter" . Hentet 2017-07-29 .

Eksterne linker